EP1815035A2 - Nickel-based superalloy - Google Patents

Nickel-based superalloy

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Publication number
EP1815035A2
EP1815035A2 EP05815708A EP05815708A EP1815035A2 EP 1815035 A2 EP1815035 A2 EP 1815035A2 EP 05815708 A EP05815708 A EP 05815708A EP 05815708 A EP05815708 A EP 05815708A EP 1815035 A2 EP1815035 A2 EP 1815035A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ppm
nickel
alloy
based superalloy
components
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05815708A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Mohamed Youssef Nazmy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1815035A2 publication Critical patent/EP1815035A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/057—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being less 10%

Definitions

  • the invention relates to the field of materials technology. It relates to a nickel-base superalloy, in particular for the production of single-crystal components (SX alloy) or components with directionally solidified structure (DS alloy), such as blades for gas turbines.
  • SX alloy single-crystal components
  • DS alloy directionally solidified structure
  • the alloy according to the invention can also be used for conventionally cast components.
  • Nickel-base superalloys are known. Single crystal components of these alloys have a very good material strength at high temperatures. As a result, z. B. the inlet temperature of gas turbines are increased, whereby the efficiency of the gas turbine increases.
  • Nickel-based superalloys for single-crystal components as known from US Pat. Nos. 4,643,782, EP 0 208 645 and US Pat. No. 5,270,123, contain alloying-strengthening alloying elements, for example Re, W, Mo, Co, Cr and y-phase-forming elements, for example Al, Ta, and Ti.
  • W, Mo, Re high-melting alloy elements
  • the alloys disclosed in the above references have high creep strength, good LCF (low cycle fatigue fatigue) and HCF (high cycle life fatigue) properties, and high oxidation resistance.
  • grain boundaries are particularly detrimental to the high temperature properties of single crystal articles. While small-angle grain boundaries have relatively little effect on the properties of small components, they are highly relevant to castability and high-temperature oxidation behavior of large SX or DS devices.
  • Grain boundaries are areas of high local disorder of the crystal lattice, because neighboring grains collide in these areas and thus there is a certain disorientation between the crystal lattices.
  • microstructures which have an equiaxial or prismatic grain structure are produced by the enrichment of nickel-based superalloys with boron or carbon in a directional solidification.
  • Carbon and boron strengthen the grain boundaries because C and B cause the precipitation of carbides and borides at the grain boundaries, which are stable at high temperatures.
  • the presence of these elements in and along the grain boundaries reduces the diffusion process, which is a major cause of grain boundary weakness. It is therefore possible to increase the disorientations to 10 ° to 12 ° and still achieve good properties of the material at high temperatures.
  • these small-angle grain boundaries negatively affect the properties.
  • the document EP 1 359 231 A1 describes a nickel-base superalloy which has improved castability and a higher oxidation resistance in comparison to known nickel-base superalloys.
  • this alloy is z. B. particularly suitable for large gas turbine single crystal components with a length of> 80 mm. It has the following chemical composition (in% by weight): 7.7-8.3 Cr
  • TBC Thermal Barrier Coating
  • the aim of the invention is to avoid the mentioned disadvantages of the prior art.
  • the invention is based on the object of further improving the nickel-base superalloy known from EP 1 359 231 A1, in particular with regard to better compatibility with TBC layers to be applied to this superalloy with comparably good castability and high resistance to oxidation compared to the nickel-base superalloy known from EP 1 359 231 A1.
  • the nickel-base superalloy is characterized by the following chemical composition (data in% by weight):
  • the alloy is very easy to cast, has a high oxidation resistance at high temperatures and is well compatible with applied TBC layers.
  • the alloy has the following composition (in% by weight):
  • An advantageous alloy according to the invention has the following chemical composition (in% by weight):
  • This alloy is outstandingly suitable for the production of large single-crystal components, for example gas turbine blades.
  • Nickel-base superalloys known from the prior art comparative alloys VL1 to VL5
  • alloy L1 according to the invention having the chemical composition given in Table 1 were investigated (in% by weight):
  • Alloy L1 is a nickel base superalloy for single crystal components whose composition falls within the scope of the present invention.
  • the alloys VL1, VL2, VL3, VL4 are comparative alloys which are known in the art under the designations CMSX-11B, CMSX-6, CMSX-2 and Rene N5. They differ, inter alia. of the alloy according to the invention, especially in that they are not alloyed with C, B, Si, and also Y and / or La.
  • the comparison alloy VL5 is known from EP 1 359 231 A1 and differs from the alloy according to the invention in the S, Y or La content.
  • Grain boundary weakness is. As a result, the castability of long single crystal Components, such as gas turbine blades with a length of about 200 to 230 mm, significantly improved.
  • the restriction of the inventive composition to a sulfur content of ⁇ 5 ppm causes very good properties, in particular a good adhesion of applied to the surface of the superalloy, for example thermally sprayed, TBC layer. If the sulfur content is> 5 ppm, then this has a negative effect on the TBC adhesion, it quickly comes to flaking the layer under thermal cycling.
  • the proportion of 50 ppm Y and 10 ppm La given in the alloy L1 is particularly advantageous, since L1 is particularly well compatible with the TBC layers to be applied.
  • these two elements also increase the resistance to environmental influences.
  • Y and La are oxygen-active elements that improve the adhesion of the scale layer to the base material. Cyclic oxidation spallation resistance is the key factor for the stability of the TBC layer.
  • the alloy L1 according to the invention has by far the highest number of cycles until the oxide layer flakes off. This suggests a high stability of a applied to the surface of the superalloy, for example, thermally sprayed TBC layer close.
  • nickel-base superalloys having higher C and B contents are selected according to claim 1 of the invention, the components produced therefrom can also be cast conventionally, ie they are not single crystals.

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Abstract

The invention relates to a nickel-based superalloy. The inventive alloy is characterised by the following chemical composition (amount in wt. %): 7.7-8.3 Cr, 5.0-5.25 Co, 2.0-2.1 Mo, 7.8-8.3 W, 5.8-6.1 Ta, 4.9-5.1 AI, 1.3-1.4 Ti, 0.11 -0.15 Si, 0.11 -0.15 Hf, 200-750 ppm C, 50-400 ppm B, 0.1 -5 ppmS, 5-100 ppm Y and/or 5-100 ppm La, and the remainder is Ni and impurities arising from the production thereof. Said nickel-based superalloy is characterised in that it is very pourable, is highly resistant to oxidation and has a good compatibility to the TBC layers applied to the surface thereof.

Description

Nickel-Basis-Superlegierung Nickel-based superalloy
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik. Sie betrifft eine Nickel-Basis-Superlegierung, insbesondere zur Herstellung von Einkristall-Komponenten (SX-Legierung) oder Komponenten mit gerichtet erstarrtem Gefüge (DS-Legierung), wie beispielsweise Schaufeln für Gasturbinen. Die erfindungsgemässe Legierung ist aber auch für konventionell gegossene Komponenten einsetzbar.The invention relates to the field of materials technology. It relates to a nickel-base superalloy, in particular for the production of single-crystal components (SX alloy) or components with directionally solidified structure (DS alloy), such as blades for gas turbines. However, the alloy according to the invention can also be used for conventionally cast components.
Stand der TechnikState of the art
Derartige Nickel-Basis-Superlegierungen sind bekannt. Einkristall- Komponenten aus diesen Legierungen weisen bei hohen Temperaturen eine sehr gute Materialfestigkeit auf. Dadurch kann z. B. die Einlasstemperatur von Gasturbinen erhöht werden, wodurch die Effizienz der Gasturbine steigt. Nickel-Basis-Superlegierungen für Einkristall-Komponenten, wie sie aus US 4,643,782, EP 0 208 645 und US 5,270,123 bekannt sind, enthalten dazu mischkristallverfestigende Legierungselemente, beispielsweise Re, W, Mo, Co, Cr, sowie y-Phasen bildende Elemente, beispielsweise AI, Ta, und Ti. Der Gehalt an hochschmelzenden Legierungselementen (W, Mo, Re) in der Grundmatrix (austenitische γ-Phase) nimmt kontinuierlich zu mit der Zunahme der Beanspruchungstemperatur der Legierung. So enthalten z. B. übliche Nickel-Basis-Superlegierungen für Einkristalle 6-8 % W, bis zu 6 % Re und bis zu 2 % Mo (Angaben in Gew.- %). Die in den oben genannten Druckschriften offenbarten Legierungen weisen eine hohe Kriechfestigkeit, gute LCF (Ermüdung bei niedriger Lastspielzahl)- und HCF(Ermüdung bei hoher Lastspielzahl)-Eigenschaften sowie einen hohen Oxidationswiderstand auf.Such nickel-base superalloys are known. Single crystal components of these alloys have a very good material strength at high temperatures. As a result, z. B. the inlet temperature of gas turbines are increased, whereby the efficiency of the gas turbine increases. Nickel-based superalloys for single-crystal components, as known from US Pat. Nos. 4,643,782, EP 0 208 645 and US Pat. No. 5,270,123, contain alloying-strengthening alloying elements, for example Re, W, Mo, Co, Cr and y-phase-forming elements, for example Al, Ta, and Ti. The content of high-melting alloy elements (W, Mo, Re) in the base matrix (austenitic γ-phase) continuously increases with increase in the stress temperature of the alloy. To contain z. B. common nickel-based superalloys for single crystals 6-8% W, up to 6% Re and up to 2% Mo (in% by weight). The alloys disclosed in the above references have high creep strength, good LCF (low cycle fatigue fatigue) and HCF (high cycle life fatigue) properties, and high oxidation resistance.
Diese bekannten Legierungen wurden für Flugzeugturbinen entwickelt und deshalb optimiert auf den Kurz- und Mittelzeiteinsatz, d.h. die Beanspruchungsdauer wird auf bis zu 20 000 Stunden ausgelegt. Im Gegensatz dazu müssen industrielle Gasturbinen-Komponenten auf eine Beanspruchungsdauer von bis zu 75 000 Stunden ausgelegt werden.These known alloys have been developed for aircraft turbines and therefore optimized for short and medium time use, i. the load duration is designed for up to 20,000 hours. In contrast, industrial gas turbine components have to be designed for a service life of up to 75,000 hours.
Nach einer Beanspruchungsdauer von 300 Stunden zeigt z. B. die Legierung CMSX-4 aus US 4,643,782 beim versuchsweisen Einsatz in einer Gasturbine bei einer Temperatur oberhalb von 1000 0C eine starke Vergröberung der γ1- Phase, die nachteilig mit einer Erhöhung der Kriechgeschwindigkeit der Legierung einhergeht.After a period of use of 300 hours z. For example, the alloy CMSX-4 of US 4,643,782 when experimentally used in a gas turbine at a temperature above 1000 0 C, a strong coarsening of the γ 1 - phase, which is associated with an increase in the creeping speed of the alloy adversely.
Es ist somit erforderlich, die Oxidationsbeständigkeit der bekannten Legierungen bei sehr hohen Temperaturen zu verbessern.It is thus necessary to improve the oxidation resistance of the known alloys at very high temperatures.
Ein weiteres Problem der bekannten Nickel-Basis-Superlegierungen, beispielsweise der aus US 5,435,861 bekannten Legierungen, besteht darin, dass die Giessbarkeit bei grossen Komponenten, z. B. bei Gasturbinenschaufeln mit einer Länge von mehr als 80 mm, zu wünschen übrig lässt. Das Giessen einer perfekten, relativ grossen gerichtet erstarrten Einkristall-Komponente aus einer Nickel-Basis-Superlegierung ist extrem schwierig, weil die meisten dieser Komponenten Fehler aufweisen, z. B. Kleinwinkelkorngrenzen, "Frecklen", d. h. Fehlstellen bedingt durch eine Kette von gleichgerichteten Körnern mit einem hohem Gehalt an Eutektikum, äquiaxiale Streugrenzen, Mikroporositäten u. a. Diese Fehler schwächen die Komponenten bei hohen Temperaturen, so dass die gewünschte Lebensdauer bzw. die Betriebstemperatur der Turbine nicht erreicht werden. Da aber eine perfekt gegossene Einkristall-Komponente extrem teuer ist, tendiert die Industrie dazu, so viele Defekte wie möglich zuzulassen ohne dass die Lebensdauer oder die Betriebstemperatur beeinträchtigt werden.Another problem of the known nickel-based superalloys, such as the known from US 5,435,861 alloys, is that the castability of large components, eg. B. gas turbine blades with a length of more than 80 mm, leaves something to be desired. The casting of a perfect, relatively large directionally solidified Single-base nickel-base superalloy component is extremely difficult because most of these components have defects, e.g. As small angle grain boundaries, "Frecklen", ie defects caused by a chain of rectified grains with a high content of eutectic, equiaxial Streugrenzen, microporosity, etc. These errors weaken the components at high temperatures, so that the desired life or the operating temperature of the turbine is not be achieved. However, since a perfectly cast single crystal component is extremely expensive, the industry tends to allow as many defects as possible without sacrificing service life or operating temperature.
Einer der häufigsten Fehler sind Korngrenzen, welche besonders schädlich für die Hochtemperatureigenschaften der Einkristall-Artikel sind. Während Kleinwinkelkorngrenzen bei kleinen Bauteilen vergleichsweise nur einen geringen Einfluss auf die Eigenschaften haben, sind sie in Bezug auf die Giessbarkeit und das Oxidationsverhalten bei hohen Temperaturen bei grossen SX- oder DS-Bauteilen von hoher Relevanz.One of the most common defects are grain boundaries, which are particularly detrimental to the high temperature properties of single crystal articles. While small-angle grain boundaries have relatively little effect on the properties of small components, they are highly relevant to castability and high-temperature oxidation behavior of large SX or DS devices.
Korngrenzen sind Gebiete hoher örtlicher Fehlordnung des Kristallgitters, da in diesen Gebieten die Nachbarkörner zusammenstossen und somit eine bestimmte Desorientierung zwischen den Kristallgittern vorhanden ist. Je grösser die Desorientierung ist, desto grösser ist die Fehlordnung, d. h. desto grösser ist die Anzahl der Versetzungen in den Korngrenzen, die notwendig sind, damit die beiden Körner zusammenpassen. Diese Fehlordnung steht in direktem Zusammenhang zum Verhalten des Materials bei hohenGrain boundaries are areas of high local disorder of the crystal lattice, because neighboring grains collide in these areas and thus there is a certain disorientation between the crystal lattices. The greater the disorientation, the greater the disorder, d. H. the greater the number of dislocations in the grain boundaries necessary to match the two grains. This disorder is directly related to the behavior of the material at high levels
Temperaturen. Sie schwächt das Material, wenn sich die Temperatur über die äquikohäsive Temperatur (= 0,5 x Schmelzpunkt in K) erhöht.Temperatures. It weakens the material when the temperature rises above the equikohäsive temperature (= 0.5 x melting point in K).
Aus GB 2 234 521 A ist dieser Effekt bekannt. So sinkt bei einer konventionellen Nickel-Basis-Einkristall-Legierung beispielsweise bei einer Prüftemperatur von 871 0C die Bruchfestigkeit extrem ab, wenn die Desorientierung der Körner grösser als 6° ist. Dies wurde auch bei Einkristall- Komponenten mit gerichtet erstarrtem Gefüge festgestellt, so dass allgemein die Ansicht vertreten wurde, Desorientierungen grösser als 6° nicht zuzulassen.From GB 2 234 521 A this effect is known. So-based single crystal nickel alloy, the breaking strength decreases with a conventional example, at a test temperature of 871 0 C extremely decreases when the disorientation of the grains is greater than 6 °. This has also been observed for single crystal components with directionally solidified microstructure, so that in general The view was taken not to allow disorientations greater than 6 °.
Aus der genannten GB 2 234 521 A ist auch bekannt, dass durch die Anreicherung von Nickel-Basis-Superlegierungen mit Bor oder Kohlenstoff bei einer gerichteten Erstarrung Gefüge erzeugt werden, welche eine äquiaxiale oder prismatische Kornstruktur aufweisen. Kohlenstoff und Bor festigen die Korngrenzen, da C und B die Ausscheidung von Karbiden und Boriden an den Korngrenzen verursachen, welche bei hohen Temperaturen stabil sind. Ausserdem verringert die Anwesenheit dieser Elemente in den und entlang der Korngrenzen den Diffusionsprozess, der eine Hauptursache der Korngrenzenschwäche ist. Es ist daher möglich, die Desorientierungen auf 10° bis 12° zu erhöhen und trotzdem gute Eigenschaften des Materials bei hohen Temperaturen zu erzielen. Insbesondere bei grossen Einkristallkomponenten aus Nickel-Basis-Superlegierungen beeinflussen diese Kleinwinkelkorngrenzen aber negativ die Eigenschaften.It is also known from the aforementioned GB 2 234 521 A that microstructures which have an equiaxial or prismatic grain structure are produced by the enrichment of nickel-based superalloys with boron or carbon in a directional solidification. Carbon and boron strengthen the grain boundaries because C and B cause the precipitation of carbides and borides at the grain boundaries, which are stable at high temperatures. Moreover, the presence of these elements in and along the grain boundaries reduces the diffusion process, which is a major cause of grain boundary weakness. It is therefore possible to increase the disorientations to 10 ° to 12 ° and still achieve good properties of the material at high temperatures. Especially with large single crystal components of nickel-based superalloys, these small-angle grain boundaries negatively affect the properties.
In der Druckschrift EP 1 359 231 A1 wird eine Nickel-Basis-Superlegierung beschrieben, welche eine verbesserte Giessbarkeit und einen höheren Oxidationswiderstand im Vergleich zu bekannten Nickel-Basis- Superlegierungen aufweist. Ausserdem ist diese Legierung z. B. besonders für grosse Gasturbinen-Einkristallkomponenten mit einer Länge von > 80 mm geeignet. Sie weist folgende chemische Zusammensetzung (Angaben in Gew.- %) auf: 7.7-8.3 CrThe document EP 1 359 231 A1 describes a nickel-base superalloy which has improved castability and a higher oxidation resistance in comparison to known nickel-base superalloys. In addition, this alloy is z. B. particularly suitable for large gas turbine single crystal components with a length of> 80 mm. It has the following chemical composition (in% by weight): 7.7-8.3 Cr
5.0-5.25 Co5.0-5.25 Co
2.0-2.1 Mo2.0-2.1 Mo
7.8-8.3 W7.8-8.3 W
5.8-6.1 Ta 4.9-5.1 Al5.8-6.1 Ta 4.9-5.1 Al
1.3-1.4 Ti1.3-1.4 Ti
0.11-0.15 Si0.11-0.15 Si
0.11-0.15 Hf 200-750 ppm C0.11-0.15 Hf 200-750 ppm C
50-400 ppm B50-400 ppm B
Rest Nickel und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Ihre Kompatibilität mit TBC (Thermal Barrier Coating)-Schichten, welche gerade im Gasturbinenbereich zum Schutz von besonders stark thermisch beanspruchten Komponenten eingesetzt werden, ist aber noch verbesserungsbedürftig.Remaining nickel and manufacturing-related impurities. Their compatibility with TBC (Thermal Barrier Coating) layers, which are used especially in the gas turbine sector for the protection of particularly highly stressed components, but still needs to be improved.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die aus EP 1 359 231 A1 bekannte Nickel-Basis-Superlegierung weiter zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf eine bessere Kompatibilität mit auf diese Superlegierung aufzubringende TBC-Schichten bei vergleichbar guter Giessbarkeit und hoher Oxidationsbeständigkeit im Vergleich zu der aus EP 1 359 231 A1 bekannten Nickel-Basis-Superlegierung.The aim of the invention is to avoid the mentioned disadvantages of the prior art. The invention is based on the object of further improving the nickel-base superalloy known from EP 1 359 231 A1, in particular with regard to better compatibility with TBC layers to be applied to this superalloy with comparably good castability and high resistance to oxidation compared to the nickel-base superalloy known from EP 1 359 231 A1.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Nickel-Basis- Superlegierung durch folgende chemische Zusammensetzung (Angaben in Gew.- %) gekennzeichnet ist:According to the invention, this object is achieved in that the nickel-base superalloy is characterized by the following chemical composition (data in% by weight):
7.7-8.3 Cr7.7-8.3 Cr
5.0-5.25 Co 2.0-2.1 Mo5.0-5.25 Co 2.0-2.1 Mo
7.8-8.3 W7.8-8.3 W
5.8-6.1 Ta5.8-6.1 Ta
4.9-5.1 Al4.9-5.1 Al
1.3-1.4 Ti 0.11 -0.15 Si1.3-1.4 Ti 0.11 -0.15 Si
0.11-0.15 Hf0.11-0.15 Hf
200-750 ppm C200-750 ppm C
50-400 ppm B < 5 ppm S50-400 ppm B <5 ppm S
5-100 ppm Y und/oder 5-100 ppm La Rest Nickel und herstellungsbedingte Verunreinigungen.5-100 ppm Y and / or 5-100 ppm La Rest Nickel and manufacturing impurities.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Legierung sehr gut giessbar ist, einen hohen Oxidationswiderstand bei hohen Temperaturen aufweist und mit aufzubringenden TBC-Schichten gut kompatibel ist.The advantages of the invention are that the alloy is very easy to cast, has a high oxidation resistance at high temperatures and is well compatible with applied TBC layers.
Es ist zweckmässig, wenn die Legierung die folgende Zusammensetzung aufweist (Angaben in Gew.- %):It is expedient if the alloy has the following composition (in% by weight):
7.7-8.3 Cr7.7-8.3 Cr
5.0-5.25 Co5.0-5.25 Co
2.0-2.1 Mo2.0-2.1 Mo
7.8-8.3 W 5.8-6.1 Ta7.8-8.3 W 5.8-6.1 Ta
4.9-5.1 Al4.9-5.1 Al
1.3-1.4 Ti1.3-1.4 Ti
0.11 -0.15 Si0.11 -0.15 Si
0.11-0.15 Hf 200-300 ppm C0.11-0.15 Hf 200-300 ppm C
50-100 ppm B max 2 ppm S50-100 ppm B max 2 ppm S
10-80 ppm Y und/oder 10-80 ppm La Rest Nickel und herstellungsbedingte Verunreinigungen.10-80 ppm Y and / or 10-80 ppm La Rest Nickel and manufacturing-related contaminants.
Eine vorteilhafte erfindungsgemässe Legierung weist die folgende chemische Zusammensetzung auf (Angaben in Gew.- %):An advantageous alloy according to the invention has the following chemical composition (in% by weight):
7.7 Cr7.7 Cr
5.1 Co 2.0 Mo5.1 Co 2.0 Mo
7.8 W7.8 W
5.8 Ta5.8 Ta
5.0 Al 1.4 Ti 0.12 Si 0.12 Hf 200 ppm C 50 ppm B 1 ppm S 50 ppm Y 10 ppm La Rest Nickel und herstellungsbedingte Verunreinigungen.5.0 al 1.4 Ti 0.12 Si 0.12 Hf 200 ppm C 50 ppm B 1 ppm S 50 ppm Y 10 ppm La Rest Nickel and manufacturing-related impurities.
Diese Legierung ist hervorragend geeignet zur Herstellung von grossen Einkristall-Komponenten, beispielsweise Schaufeln für Gasturbinen.This alloy is outstandingly suitable for the production of large single-crystal components, for example gas turbine blades.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.
Es wurden aus dem Stand der Technik bekannte Nickel-Basis- Superlegierungen (Vergleichslegierungen VL1 bis VL5) und die erfindungsgemässe Legierung L1 mit der in Tabelle 1 angegebenen chemischen Zusammensetzung untersucht (Angaben in Gew.- %):Nickel-base superalloys known from the prior art (comparative alloys VL1 to VL5) and the alloy L1 according to the invention having the chemical composition given in Table 1 were investigated (in% by weight):
Tabelle 1 : Chemische Zusammensetzung der untersuchten LegierungenTable 1: Chemical composition of the investigated alloys
Die Legierung L1 ist eine Nickel-Basis-Superlegierung für Einkristall- Komponenten, deren Zusammensetzung unter den Patentanspruch der vorliegenden Erfindung fällt. Die Legierungen VL1 , VL2, VL3, VL4 sind Vergleichslegierungen, die unter den Bezeichnungen CMSX-11B, CMSX-6, CMSX-2 und Rene N5 bekannter Stand der Technik sind. Sie unterscheiden sich u.a. von der erfindungsgemässen Legierung vor allem darin, dass sie nicht mit C, B, Si, sowie Y und/oder La legiert sind. Die Vergleichslegierung VL5 ist aus EP 1 359 231 A1 bekannt und unterscheidet sich von der erfindungsgemässen Legierung im S, Y bzw. La-Gehalt.Alloy L1 is a nickel base superalloy for single crystal components whose composition falls within the scope of the present invention. The alloys VL1, VL2, VL3, VL4 are comparative alloys which are known in the art under the designations CMSX-11B, CMSX-6, CMSX-2 and Rene N5. They differ, inter alia. of the alloy according to the invention, especially in that they are not alloyed with C, B, Si, and also Y and / or La. The comparison alloy VL5 is known from EP 1 359 231 A1 and differs from the alloy according to the invention in the S, Y or La content.
Kohlenstoff und Bor festigen die Korngrenzen, insbesondere auch die in <001>-Richtung bei SX- bzw. DS-Gasturbinenschaufeln aus Nickel-Basis-Carbon and boron strengthen the grain boundaries, especially those in the <001> direction in SX or DS gas turbine blades made of nickel-based
Superlegierungen auftretenden Kleinwinkelkorngrenzen, da diese Elemente die Ausscheidung von Karbiden und Boriden an den Korngrenzen verursachen, welche bei hohen Temperaturen stabil sind. Ausserdem verringert die Anwesenheit dieser Elemente in den und entlang der Korngrenzen den Diffusionsprozess, der eine Hauptursache derSuperalloys occurring small angle grain boundaries, as these elements cause the precipitation of carbides and borides at the grain boundaries, which are stable at high temperatures. Moreover, the presence of these elements in and along the grain boundaries reduces the diffusion process, which is a major cause of
Korngrenzenschwäche ist. Dadurch wird die Giessbarkeit langer Einkristall- Komponenten, beispielsweise Gasturbinenschaufeln mit einer Länge von ca. 200 bis 230 mm, erheblich verbessert.Grain boundary weakness is. As a result, the castability of long single crystal Components, such as gas turbine blades with a length of about 200 to 230 mm, significantly improved.
Durch die Zugabe von 0.11 bis 0.15 Gew.- % Si, vor allem in Kombination mit Hf in etwa gleicher Grössenordnung, wird eine wesentliche Verbesserung des Oxidationswiderstandes bei hohen Temperaturen gegenüber den bisher bekannten Nickel-Basis-Superlegierungen VL1 bis VL4 erzieltThe addition of 0.11 to 0.15% by weight of Si, especially in combination with Hf in about the same order of magnitude, a significant improvement in the oxidation resistance at high temperatures compared to the previously known nickel-based superalloys VL1 to VL4 is achieved
Die Beschränkung der erfindungsgemässen Zusammensetzung auf einen Schwefel-Anteil von < 5 ppm bewirkt sehr gute Eigenschaften, insbesondere eine gute Haftung der auf die Oberfläche der Superlegierung aufgebrachten, beispielsweise thermisch gespritzten, TBC-Schicht. Ist der Schwefel-Anteil > 5 ppm, so wirkt sich das negativ auf die TBC-Haftung aus, es kommt schnell zu Abplatzungen der Schicht bei Temperaturwechselbeanspruchung.The restriction of the inventive composition to a sulfur content of <5 ppm causes very good properties, in particular a good adhesion of applied to the surface of the superalloy, for example thermally sprayed, TBC layer. If the sulfur content is> 5 ppm, then this has a negative effect on the TBC adhesion, it quickly comes to flaking the layer under thermal cycling.
Durch die Zugabe von Y und/oder La im angegebenen Bereich (jeweils 5 bis 100 ppm, also in der Summe, d.h. Y + La, 10 bis 200 ppm, falls beide Elemente vorhanden sind) wird erreicht, dass die aufzubringende keramische Wärmeschutzschicht (TBC-Schicht) sehr gut haftet.By adding Y and / or La in the specified range (in each case 5 to 100 ppm, ie in total, ie Y + La, 10 to 200 ppm, if both elements are present), it is achieved that the applied ceramic thermal insulation layer (TBC Layer) adheres very well.
Der in der Legierung L1 angegebene Anteil von 50 ppm Y und 10 ppm La ist besonders vorteilhaft, da L1 mit den aufzubringenden TBC-Schichten besonders gut kompatibel ist. Ausserdem erhöhen diese beiden Elemente auch den Widerstand gegen Umgebungseinflüsse. Durch die Zugabe dieser Elemente in diesen geringen Bereichen wird die Aluminium-/Chromoxid- Zunderschicht auf der Legierungsoberfläche stabilisiert und bewirkt einen bemerkenswerten Oxidationswiderstand. Y und La sind sauerstoffaktive Elemente, die die Haftfestigkeit der Zunderschicht auf dem Basiswerkstoff verbessern. Der Widerstand gegen Spallation bei zyklischer Oxidation ist der Schlüsselfaktor für die Stabilität der TBC-Schicht.The proportion of 50 ppm Y and 10 ppm La given in the alloy L1 is particularly advantageous, since L1 is particularly well compatible with the TBC layers to be applied. In addition, these two elements also increase the resistance to environmental influences. By adding these elements in these small areas, the aluminum / chromium oxide scale layer on the alloy surface is stabilized and causes remarkable oxidation resistance. Y and La are oxygen-active elements that improve the adhesion of the scale layer to the base material. Cyclic oxidation spallation resistance is the key factor for the stability of the TBC layer.
In der Tabelle 2 ist jeweils die Anzahl der Zyklen bis zum Abplatzen der AI2O3- und anderer gebildeter Oxidschichten unter zyklischer Oxidation bei 1050°C/1 h/Luftabkühlung bis Raumtemperatur für die in Tabelle 1 angegeben Legierungen aufgeführt:In Table 2, the number of cycles up to the spalling of the AI 2 O 3 - and other oxide layers formed under cyclic oxidation is in each case at 1050 ° C / 1h / air cooling to room temperature for the alloys listed in Table 1:
Tabelle 2: Anzahl der Zyklen bis zur SpallationTable 2: Number of cycles to spallation
Die erfindungsgemässe Legierung L1 weist im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Legierungen die mit Abstand höchste Zyklenanzahl bis zum Abplatzen der Oxidschicht auf. Dies lässt auf eine hohe Stabilität einer auf die Oberfläche der Superlegierung aufzubringenden, beispielsweise thermisch gespritzten TBC-Schicht schliessen.In comparison with the alloys known from the prior art, the alloy L1 according to the invention has by far the highest number of cycles until the oxide layer flakes off. This suggests a high stability of a applied to the surface of the superalloy, for example, thermally sprayed TBC layer close.
Werden in anderen Ausführungsbeispielen z. B. Nickel-Basis- Superlegierungen mit höheren C- und B-Gehalten (max. 750 ppm C und max. 400 ppm B) gemäss Anspruch 1 der Erfindung gewählt, so lassen sich die daraus hergestellten Komponenten auch konventionell giessen, sind also dann keine Einkristalle. Be in other embodiments z. For example, nickel-base superalloys having higher C and B contents (at most 750 ppm C and at most 400 ppm B) are selected according to claim 1 of the invention, the components produced therefrom can also be cast conventionally, ie they are not single crystals.

Claims

Patentansprüche claims
1. Nickel-Basis-Superlegierung gekennzeichnet durch folgende chemische Zusammensetzung (Angaben in Gew.- %):1. Nickel-based superalloy characterized by the following chemical composition (in% by weight):
7.7-8.3 Cr7.7-8.3 Cr
5.0-5.25 Co 2.0-2.1 Mo5.0-5.25 Co 2.0-2.1 Mo
7.8-8.3 W7.8-8.3 W
5.8-6.1 Ta5.8-6.1 Ta
4.9-5.1 Al4.9-5.1 Al
1.3-1.4 Ti 0.11-0.15 Si1.3-1.4 Ti 0.11-0.15 Si
0.11-0.15 Hf0.11-0.15 Hf
200-750 ppm C200-750 ppm C
50-400 ppm B50-400 ppm B
< 5 ppm S 5-100 ppm Y und/oder 5-100 ppm La<5 ppm S 5-100 ppm Y and / or 5-100 ppm La
Rest Nickel und herstellungsbedingte Verunreinigungen.Remaining nickel and manufacturing-related impurities.
2. Nickel-Basis-Superlegierung nach Anspruch 1 , insbesondere zur Herstellung von Einkristall-Komponenten, gekennzeichnet durch folgende chemische Zusammensetzung (Angaben in Gew.- %):2. nickel-based superalloy according to claim 1, in particular for the production of single-crystal components, characterized by the following chemical composition (in% by weight):
7.7-8.3 Cr7.7-8.3 Cr
5.0-5.25 Co5.0-5.25 Co
2.0-2.1 Mo2.0-2.1 Mo
7.8-8.7.8-8.
3 W 5.8-6.1 Ta3W 5.8-6.1 Ta
4.9-5.1 Al4.9-5.1 Al
1.3-1.4 Ti1.3-1.4 Ti
0.11-0.15 Si 0.11-0.15 Hf 200-300 ppm C 50-100 ppm B maximal 2 ppm S 10-80 ppm Y und/oder 10-80 ppm La0.11-0.15 Si 0.11-0.15 Hf 200-300 ppm C 50-100 ppm B maximum 2 ppm S 10-80 ppm Y and / or 10-80 ppm La
Rest Nickel und herstellungsbedingte Verunreinigungen.Remaining nickel and manufacturing-related impurities.
3. Nickel-Basis-Superlegierung nach Anspruch 2 gekennzeichnet durch folgende chemische Zusammensetzung (Angaben in Gew.- %): 7.7 Cr3. nickel-base superalloy according to claim 2 characterized by the following chemical composition (in% by weight): 7.7 Cr
5.1 Co5.1 Co
2.0 Mo2.0 Mo
7.8 W7.8 W
5.8 Ta 5.0 Al5.8 Ta 5.0 Al
1.4 Ti1.4 Ti
0.12 Si0.12 Si
0.12 Hf0.12 Hf
200 ppm C 50 ppm B200 ppm C 50 ppm B
1 ppm S1 ppm S
50 ppm Y50 ppm Y
10 ppm La10 ppm La
Rest Nickel und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Remaining nickel and manufacturing-related impurities.
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